JP2016080652A - 動作検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省電力化及び測定精度の向上化が図れた動作検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】動作検出装置１０１は、方位を検知する地磁気センサ１と、相対的な位置や方向を検知する慣性センサ２と、軟磁性体を含む電気部品５と、地磁気センサ１と慣性センサ２からの出力信号が入力される演算処理装置３と、を備え、電気部品５の近傍に配設されたコイル６と、コイル６に流す電流を制御する制御部７と、を有し、地磁気センサ１からの出力信号に基づいて算出された単位時間当たりの方位変化と、慣性センサ２からの出力信号に基づいて算出された単位時間当たりの相対的な方向変化と、の差分が、予め定めた閾値以上となった場合に、制御部７が、振幅が徐々に弱くなる交流電流をコイル６に流し、軟磁性体に帯磁した磁気を消磁することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、装着される移動体の動きを検出する動作検出装置に関する。

近年、医療やスポーツ分野、人間工学など幅広い分野で、移動体である人間の動作解析が必要とされてきているとともに、自動車やロボット等の分野でも、移動体である自動車やロボット等の姿勢や運動状態を計測して動作解析を行うことが重要なポイントとなってきた。これらあらゆる移動体の動きを検出する方法の１つとして、方位を検出する磁気センサと動いた方向を検出する慣性センサとを組み合わせた動作検出装置が挙げられる。

しかしながら、このような磁気センサを用いた動作検出装置では、動作検出装置の近傍に帯磁する部品または装置が存在すると、この帯磁により磁気センサが影響されて、正確な計測ができないといった課題があった。この課題に対して、特許文献１（従来例）では、帯磁した磁気を消滋する方法が提案されている。図６は、従来例の車両用消滋装置９００を説明するブロック系統図である。

従来例の車両用消滋装置９００は、図６に示すように、地磁気センサ（磁気センサ）９０１を周囲を取り囲む消滋コイル９０７と、消滋コイル９０７に消滋電流を供給する消滋回路９０８と、地磁気センサ９０１からの電気的信号を増幅するセンサアンプ９０４と、消滋回路９０８やセンサアンプ９０４を制御する制御装置９０５と、を備えて構成されている。そして、この車両用消滋装置９００は、車両側の方位計９０６に接続されて車両側に方位指示の信号を送信しているとともに、消滋コイル９０７に消滋電流を流すことにより車両に帯磁した磁気を消滋している。

特開昭５９−２８６７９公報

しかしながら、従来例では、地磁気センサ９０１が、所定の周期に従って定期的に消滋電流を流して消滋を行うか、過大磁気を検出したときに消滋電流を流して消磁を行うかしていた。そして、定期的に消磁を行う場合は、帯磁しておらず消磁の必要がない場合でも消磁電流を流すため、無駄な消費電力を消費するという課題があった。また、過大磁気を検出したときに消磁する場合は、過大磁気とならない程度の少量の磁化では、帯磁を検出できず、地磁気センサ９０１に悪影響を及ぼす課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するもので、省電力化及び測定精度の向上化が図れた動作検出装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の動作検出装置は、方位を検知する地磁気センサと、相対的な位置や方向を検知する慣性センサと、軟磁性体を含む電気部品と、前記地磁気センサと前記慣性センサからの出力信号が入力される演算処理装置と、を備え、装着される移動体の動きを検出する動作検出装置であって、前記電気部品の近傍に配設されたコイルと、該コイルに流す電流を制御する制御部と、を有し、前記慣性センサからの前記出力信号に基づいて算出された単位時間当たりの相対的な方向変化と、前記地磁気センサからの前記出力信号に基づいて算出された単位時間当たりの方位変化と、の差分が、予め定めた閾値以上となった場合に、前記制御部が、振幅が徐々に弱くなる交流電流を前記コイルに流し、前記軟磁性体に帯磁した磁気を消磁することを特徴としている。

これによれば、本発明の動作検出装置は、従来例のような所定の周期に従って消磁電流を流す場合と比較して、消磁のための無駄な電力を消費しない。このため、動作検出装置の省電力化を図ることができる。更に、従来例のような地磁気センサが過大磁気を検出することで帯磁の状態を判断する場合と比較して、より弱い帯磁の状態を判断して消磁することができる。このため、動作検出装置の検出精度の向上を図ることができる。

また、本発明の動作検出装置は、前記電気部品が水晶振動子であって、前記電気部品のカバーが鉄製であり、前記電気部品の周囲を取り囲む位置に前記コイルが配設されていることを特徴としている。

これによれば、鉄製のカバーの厚み方向に消磁用の磁力が加わるようになる。このため、鉄製のカバーの側方にコイルを設けてカバーの面方向に磁力を加える場合と比較して、より少ない電力で、しかも短時間で消磁することができる。

また、本発明の動作検出装置は、前記地磁気センサ、前記慣性センサ及び前記電気部品を搭載する絶縁基板を有し、前記コイルが前記絶縁基板上に金属膜で形成されていることを特徴としている。

これによれば、厚みが薄く小型化された動作検出装置を提供することができる。

本発明の動作検出装置は、従来例のような所定の周期に従って消磁電流を流す場合と比較して、消磁のための無駄な電力を消費しない。このため、動作検出装置の省電力化を図ることができる。更に、従来例のような地磁気センサが過大磁気を検出することで帯磁の状態を判断する場合と比較して、より弱い帯磁の状態を判断して消磁することができる。このため、動作検出装置の検出精度の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態の動作検出装置を説明する斜視構成図である。 本発明の第１実施形態の動作検出装置を説明する構成図であって、図１に示すＺ１側から見た上面図である。 本発明の第１実施形態に係わる動作検出装置の構成を説明するブロック図である。 本発明の第１実施形態に係わる動作検出装置の動作を説明するフローチャート図である。 本発明の第１実施形態に係わる動作検出装置のコイルに流す交流電流を説明するグラフである。 従来例の車両用消滋装置を説明するブロック系統図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の動作検出装置１０１を説明する斜視構成図である。図２は、本発明の第１実施形態の動作検出装置１０１を説明する構成図であって、図１に示すＺ１側から見た上面図である。図３は、本発明の第１実施形態に係わる動作検出装置１０１の構成を説明するブロック図である。図４は、動作検出装置１０１のコイル６に流す交流電流を説明するグラフである。図４の横軸は経過時間を示しており、図４の縦軸は電流の大きさを示している。

本発明の第１実施形態の動作検出装置１０１は、図１及び図２に示すように、方位を検知する地磁気センサ１と、相対的な位置や方向を検知する慣性センサ２と、地磁気センサ１と慣性センサ２からの出力信号が入力される演算処理装置３と、軟磁性体を含む電気部品５と、電気部品５の近傍に配設されたコイル６と、コイル６に流す電流を制御する制御部７と、を備えて構成されている。他に、本発明の第１実施形態では、動作検出装置１０１は、地磁気センサ１、慣性センサ２、演算処理装置３、電気部品５及び制御部７を搭載する絶縁基板１９と、この絶縁基板１９の全体を収容するケース（図示していない）と、外部機器との接続のためのコネクタＣＮと、検出したデータを送信するためのアンテナ（図示していない）と、を有している。そして、動作検出装置１０１は、ケースに設けられた装着部により移動体（例えば人）に装着され、移動体の動きを検出し、検出結果を無線で送信きるように構成されている。

先ず、動作検出装置１０１の地磁気センサ１は、巨大磁気抵抗効果を用いた磁気検出素子（ＧＭＲ(Giant Magneto Resistive)素子という）を３つ用いて構成され、図１に示すＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向にそれぞれ感度軸を有するような向きで３つのＧＭＲ素子を配置してパッケージングされている。そして、地磁気センサ１は、絶縁基板１９に搭載され、微弱な地磁気を検知して、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向、所謂３軸の方位に関する情報信号を地磁気センサ１に接続された演算処理装置３（図３を参照）に出力している。なお、本発明の第１実施形態では、３軸の地磁気センサ１を好適に用いたが、２軸の地磁気センサを用いても良い。

次に、動作検出装置１０１の慣性センサ２は、静電容量の変化を検知する静電容量型の加速度センサ素子を３つ用いて構成され、地磁気センサ１と同様に、図１に示すＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向にそれぞれ感度軸を有するような向きで３つの加速度センサ素子を配置してパッケージングされている。そして、慣性センサ２は、絶縁基板１９に搭載され、加速度センサ素子に設けられた微小な可動部でのわずかな位置変化を静電容量の変化として検知し、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向、所謂３軸の方向での静電容量値を慣性センサ２に接続された演算処理装置３（図３を参照）に出力している。なお、本発明の第１実施形態では、加速度センサ素子として、静電容量型を用いたが、他にピエゾ抵抗型、圧電型等を用いることもできる。

次に、動作検出装置１０１の演算処理装置３は、集積回路（ＩＣ、integrated circuit）を用いており、地磁気センサ１からの出力信号に基づいて単位時間当たりの方位変化を算出するとともに、慣性センサ２からの出力信号に基づいて単位時間当たりの相対的な方向変化を算出している。そして、演算処理装置３は、絶縁基板１９に搭載され、図３に示すように、制御部７に接続されており、これら算出結果を制御部７に送信している。以上のような３軸の地磁気センサ１及び３軸の加速度センサ（慣性センサ２）を用いることにより、動作検出装置１０１は、移動体に装着された際に、移動体の動き、例えば回転角度や向き等を検出できるように構成されている。

次に、動作検出装置１０１の電気部品５は、無線伝送のための水晶振動子であり、図１に示すように、セラミックスパッケージからなる箱状のケース１５と、ケース１５の上面を覆いケース１５内を気密封止するためのカバー５５と、を有している。そして、パッケージ内には、水晶素子が収容されている。そして、電気部品５は、絶縁基板１９に搭載され、図３に示すように、制御部７に接続されている。なお、カバー５５には、軟磁性体である鉄または鉄合金製の金属板を用いている。また、ケース１５にも、鉄または鉄合金製の材質を用いる場合もある。

次に、動作検出装置１０１のコイル６は、銅または銅合金を用い、図１及び図２に示すように、電気部品５の近傍、特に、電気部品５の周囲を取り囲む位置に配設されている。そして、コイル６は、図３に示すように、制御部７に接続されている。また、本発明の第１実施形態では、HYPERLINK \l "#Hlk400454834" \s "1,3929,3954,0,,コイル６が絶縁基板１９上に金属膜で形成されている。"コイル６は、絶縁基板１９上に形成された配線パターンと同じ金属膜で形成されている。これにより、厚みが薄く小型化された動作検出装置１０１を提供することができる。なお、図２では、説明を分かり易くするため、コイル６は１回の巻形状で示しているが、これに限らず、複数回に巻かれたスパイラル形状のコイルでも良い。

そして、電気部品５のカバー５５の軟磁性体に磁気が帯磁した際には、動作検出装置１０１は、後述する交流電流がこのコイル６に流れることにより、軟磁性体に帯磁した磁気を消磁することができる。特に、電気部品５の周囲を取り囲む位置にコイル６が配設されているので、鉄製のカバー５５の厚み方向に消磁用の磁力が加わるようになる。このため、鉄製のカバー５５の側方にコイル６を設けてカバー５５の面方向に磁力を加える場合と比較して、より少ない電力で、しかも短時間で消磁することができる。

次に、動作検出装置１０１の制御部７は、演算処理装置３と同様に、集積回路（ＩＣ）を用いており、図３に示すように、コイル６に接続されており、コイル６に流す電流を制御している。このコイル６に流す電流は、図４に示すように、振幅が徐々に弱くなる交流電流を用いている。これにより、制御部７は、軟磁性体であるカバー５５に帯磁した磁気を効率良く消磁することができる。

また、制御部７には、送信回路を含む無線手段を有しており、抵抗、コンデンサ及びトランジスタや水晶振動子等を用いて、無線回路を構成している。そして、制御部７は、アンテナを介して、演算処理装置３からの算出結果を外部受信機に無線送信している。

また、制御部７には、図３に示すように、算出結果を保管する記憶部４７を有しており、この記憶部４７に保管された地磁気センサ１から得られた方位変化と慣性センサ２から得られた方向変化とを比較できるように構成されている。なお、記憶部４７として、制御部７の内部メモリー機能を好適に用いているが、別途フラッシュメモリー等の半導体メモリーを設けても良いし、絶縁基板１９に別途コネクタを設け、挿抜可能な外部メモリ装置を用いても良い。

次に、動作検出装置１０１の絶縁基板１９は、ガラスが含有したエポキシ基板であり、絶縁基板１９上に銅箔がパターニングされた、所謂プリント配線板(ＰＷＢ、printed wiring board)を好適に用いている。

最後に、動作検出装置１０１のケースは、ＡＢＳ樹脂（acrylonitrile butadiene styrene copolymer）等の合成樹脂を用いて射出成形されており、コネクタＣＮの端子部が露出する開口部有した箱型形状に形成されて、絶縁基板１９及び絶縁基板１９に搭載された各種部品等を収容している。また、ケースには、動作検出装置１０１を移動体に装着するための装着部が設けられている。

次に、動作検出装置１０１の動作について、図５を用いて簡単に説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係わる動作検出装置１０１の動作を説明するフローチャート図である。

先ず、図５に示すように、動作検出装置１０１が装着された移動体が動作すると、地磁気センサ１は、元の方位から変化した方位を検知し（移動体の動作を検知）、演算処理装置３に方位を送信する。一方、慣性センサ２は、３軸の方向での静電容量値の変化を検知し（移動体の動作を検知）、演算処理装置３に静電容量値を送信する。

次に、演算処理装置３は、単位時間当たりの方位変化を算出するとともに、単位時間当たりの相対的な方向変化を算出する。そして、演算処理装置３は、これら算出結果を制御部７に送信する。

次に、制御部７は、演算処理装置３から送信された算出結果を一時的に記憶部４７に格納する。また、制御部７は、この算出結果をアンテナを介して外部受信機に無線送信する。

次に、制御部７は、この位時間当たりの方位変化と単位時間当たりの相対的な方向変化との差分が、記憶部４７に予め格納されて定められた閾値に対して、以上か以下かを判断する。そして、制御部７は、この差分が閾値以下の場合には、コイル６への制御命令を出さずに待機する。なお、この閾値は、コネクタＣＮを介して接続された外部機器により、容易に変更することができる。

一方、差分が閾値以上となった場合には、コイル６に図４に示す交流電流（消磁電流）を供給する。これにより、従来例のような所定の周期に従って消磁電流を流す場合と比較して、消磁のための無駄な電力を消費しない。このため、動作検出装置１０１の省電力化を図ることができる。更に、方向変化と方位変化との差分を算出して帯磁の状態を判断するので、従来例のような地磁気センサ１が過大磁気を検出することで帯磁の状態を判断する場合と比較して、より弱い帯磁の状態を判断して消磁することができる。このため、動作検出装置１０１の検出精度の向上を図ることができる。従って、省電力化及び測定精度の向上化が図れた動作検出装置１０１を提供することができる。

最後に、制御部７は、一定時間経った後、交流電流を供給を停止して終了する。

以上のように構成された本発明の第１実施形態の動作検出装置１０１における、効果について、以下に纏めて説明する。

本発明の第１実施形態の動作検出装置１０１は、慣性センサ２からの相対的な方向変化と地磁気センサ１からの方位変化との差分が予め定めた閾値以上となった場合にのみ、制御部７がコイル６に交流電流を流すので、従来例のような所定の周期に従って消磁電流を流す場合と比較して、消磁のための無駄な電力を消費しない。このため、動作検出装置１０１の省電力化を図ることができる。更に、方向変化と方位変化との差分を算出して帯磁の状態を判断するので、従来例のような地磁気センサ１が過大磁気を検出することで帯磁の状態を判断する場合と比較して、より弱い帯磁の状態で消磁することができる。このため、動作検出装置１０１の検出精度の向上を図ることができる。

また、鉄製のカバー５５を有した電気部品５（水晶振動子）の周囲を取り囲む位置にコイル６が配設されているので、鉄製のカバー５５の厚み方向に消磁用の磁力が加わるようになる。このため、鉄製のカバー５５の側方にコイル６を設けてカバー５５の面方向に磁力を加える場合と比較して、より少ない電力で、しかも短時間で消磁することができる。

また、地磁気センサ１、慣性センサ２及び電気部品５及び金属膜で形成されているコイル６が１つの絶縁基板１９上に配設されているので、厚みが薄く小型化された動作検出装置１０１を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。

＜変形例１＞
上記第１実施形態では、慣性センサ２として３軸の加速度センサ素子を用いたが、これに限るものではなく、例えばジャイロスコープを用いても良い。その際には、１軸タイプでも良いし、場合によっては２軸タイプ、３軸タイプのジャイロスコープでも良い。

＜変形例２＞
上記第１実施形態では、好適に電気部品５の周囲を取り囲む位置にコイル６を配設する構成としたが、これに限るものではない。例えば、ヘリカルコイル等の巻線コイルを用い、巻線コイルを電気部品５の近傍に配設する構成でも良い。この際には、カバー５５の面方向に磁力を加えて、軟磁性体に帯磁した磁気を消磁することとなる。

＜変形例３＞
上記第１実施形態では、制御部７の内部メモリーに閾値を格納して構成していたが、制御部７に設けられた電流駆動プログラムに予め書き込まれていても良い。

＜変形例４＞
上記第１実施形態では、電気部品５として水晶振動子を一例として示したが、水晶振動子に限るものではなく、軟磁性体を含む電気部品であれば良い。例えば鉄等の金属板を加工して作製されたシールドケースを有した電子部品モジュールであっても良い。

＜変形例５＞
上記第１実施形態では、絶縁基板１９として、プリント配線板(ＰＷＢ)を用いて構成したが、例えばフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ、Flexible printed circuits）を用いた構成でも良い。

本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

１ 地磁気センサ
２ 慣性センサ
３ 演算処理装置
５ 電気部品
６ コイル
７ 制御部
１９ 絶縁基板
５５ カバー
１０１ 動作検出装置

Claims (3)

1. 方位を検知する地磁気センサと、
   相対的な位置や方向を検知する慣性センサと、
   軟磁性体を含む電気部品と、
   前記地磁気センサと前記慣性センサからの出力信号が入力される演算処理装置と、を備え、
   装着される移動体の動きを検出する動作検出装置であって、
   前記電気部品の近傍に配設されたコイルと、該コイルに流す電流を制御する制御部と、を有し、
   前記慣性センサからの前記出力信号に基づいて算出された単位時間当たりの相対的な方向変化と、前記地磁気センサからの前記出力信号に基づいて算出された単位時間当たりの方位変化と、の差分が、予め定めた閾値以上となった場合に、
   前記制御部が、振幅が徐々に弱くなる交流電流を前記コイルに流し、前記軟磁性体に帯磁した磁気を消磁することを特徴とする動作検出装置。
2. 前記電気部品が水晶振動子であって、前記電気部品のカバーが鉄製であり、
   前記電気部品の周囲を取り囲む位置に前記コイルが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の動作検出装置。
3. 前記地磁気センサ、前記慣性センサ及び前記電気部品を搭載する絶縁基板を有し、
   前記コイルは、前記絶縁基板上に金属膜で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の動作検出装置。